(57)【要約】【課題】  Ｌｏｗ−ｋ膜を用いた銅配線形成工程における洗浄の問題を解消することのできる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  シリコン基板１の上に銅配線層２を形成した後、銅配線層２の上に拡散防止膜７、層間絶縁膜８、キャップ膜９を順に形成する。次に、ハードマスク１０を用いて、キャップ膜９、層間絶縁膜８および拡散防止膜７に対して順にプラズマによるドライエッチングを行い、銅配線層２に至る開口部１１を形成する。このとき、開口部１１の内部には残留電荷１６が発生する。次に、シリコン基板１を回転させた状態で、ＣＯ２を溶かした純水をシリコン基板１に吹き付ける。その後、通常の洗浄処理を行い、開口部１１の内部に配線層を形成する。【選択図】      図４
2005353870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の上に銅配線層を形成する工程と、
前記銅配線層の上に拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜の上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の上にキャップ膜を形成する工程と、
前記キャップ膜の上に、所定のパターンを有するハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて、前記キャップ膜、前記層間絶縁膜および前記拡散防止膜に対して順にプラズマによるドライエッチングを行い、前記銅配線層に至る開口部を形成する工程と、
前記半導体基板を回転させた状態で、前記開口部内における表面電荷の極性と逆の極性の物質を含む溶液を前記半導体基板に吹き付ける工程と、
前記半導体基板に対して薬液処理を行う工程と、
前記薬液処理後に前記半導体基板に対して純水を用いた水洗処理を行う工程と、
前記半導体基板に付着した前記純水を除去する乾燥処理を行う工程と、
前記開口部の内部に配線層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記開口部を形成した後に、前記半導体基板の表面電位を測定する工程をさらに有し、
前記溶液を前記半導体基板に吹き付ける工程は、前記表面電位と絶対値が略同じで逆の極性の電位を発生させる回転数で前記半導体基板を回転させた状態で行う請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記溶液は二酸化炭素が溶解した純水である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記層間絶縁膜は、比誘電率が３．０以下の低誘電率絶縁膜である請求項１〜３のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、銅配線層が形成された半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高速化は著しく、多層配線部における配線抵抗と配線層間の寄生容量に起因する信号伝搬速度の低下による伝送遅延が問題となってきている。こうした問題は、半導体デバイスの高集積化に伴う配線幅および配線間隔の微細化につれて配線抵抗が上昇し且つ寄生容量が増大するので、益々顕著となる傾向にある。
【０００３】
配線抵抗および寄生容量の増大に基づく信号遅延を防止するために、従来より、アルミニウム配線に代わる銅配線の導入が行われるとともに、層間絶縁膜として低誘電率の絶縁膜（以下、Ｌｏｗ−ｋ膜という。）を用いることが試みられてきた。
【０００４】
Ｌｏｗ−ｋ膜を用いた銅配線の形成方法としては、ダマシン法によるものがある。これは、銅がアルミニウムに比較してエッチングレートの制御が困難であることに鑑み、銅をエッチングせずに配線を形成する技術として知られている。
【０００５】
ダマシン法は、具体的には、Ｌｏｗ−ｋ膜をドライエッチングして開口部を形成した後、この開口部に銅層を埋込むことによって銅配線層を形成する方法である。銅層の埋込みは、メッキ法により開口部を埋設するように銅膜を形成した後、開口部内にのみ銅膜を残すようにＣＭＰ（化学的機械研磨）法を用いて表面を平坦化することによって実現することができる。
【０００６】
ところで、半導体装置の製造工程で行われる基板の洗浄方法には、複数の基板を一括して洗浄するバッチ方式と、基板を１枚づつ洗浄する枚葉方式とがある。基板の大口径化が進む近年では、枚様方式による洗浄方法が主流となる傾向にある。
【０００７】
枚様方式の洗浄装置としては、スピン式の洗浄装置が一般的である。この装置によれば、洗浄は、回転している基板の上に、薬液および純水を順に供給することによって行われる。また、洗浄後の基板の乾燥は、基板に付着した液を回転により弾き飛ばすことによって行われる。
【０００８】
しかしながら、基板を回転させながら基板に純水を吹き付けると、基板と純水との摩擦によって電圧が発生する。このため、基板の内部に電荷が注入されることによってゲート絶縁膜が劣化し、半導体装置の歩留まりや信頼性が低下するという問題があった。これに対しては、純水に二酸化炭素（ＣＯ２）を添加することによって純水の比抵抗率を低くする方法や、基板の表面と純水との摩擦を低減させる方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開平０６−２７５５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、実際の半導体装置の製造工程における基板の洗浄は、ドライエッチングなどのプラズマ処理工程を経た後に行われることが多い。プラズマ処理工程では、プラズマ荷電粒子中に基板を晒すので、プラズマ処理後の基板の表面には電荷が残留する。そして、残留する電荷の量（以下、残留電荷量という。）は、基板の表面に形成されているパターンの密度によって異なり、パターン密度が低い場合の方が残留電荷量は大きくなる。例えば、溝パターンよりも孔パターンの方が、また、密集パターンよりも孤立パターンの方がそれぞれ残留電荷量は大きい。
【００１１】
通常、基板の表面には種々のパターンが形成されているが、パターン密度の異なるパターンが混在した状態で基板の洗浄を行うと、残留電荷は基板表面で分布を持つようになる。そして、薬液中の成分がこの残留電荷の影響を受けると、局所的に基板の洗浄効率が変動するという問題があった。例えば、洗浄に寄与する成分が残留電荷の影響を受けることによって基板表面に供給されず、十分な洗浄効果が得られないという問題があった。また、洗浄に寄与する成分が残留電荷の影響を受けることによって、逆に基板表面での化学反応が促進されて、基板の表面層を異常にエッチングするという問題もあった。特に、ダマシン法による銅配線工程において、Ｌｏｗ−ｋ膜に開口部を形成した後に行う洗浄で後者の異常エッチングが発生すると、著しい歩留まりの低下を招くことから、早急の解決が求められていた。
【００１２】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、Ｌｏｗ−ｋ膜を用いた銅配線形成工程における洗浄の問題を解消することのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、多層配線構造を有する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の上に銅配線層を形成する工程と、この銅配線層の上に拡散防止膜を形成する工程と、この拡散防止膜の上に層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜の上にキャップ膜を形成する工程と、このキャップ膜の上に、所定のパターンを有するハードマスクを形成する工程と、このハードマスクを用いて、キャップ膜、層間絶縁膜および拡散防止膜に対して順にプラズマによるドライエッチングを行い、銅配線層に至る開口部を形成する工程と、半導体基板を回転させた状態で、開口部内における表面電荷の極性と逆の極性の物質を含む溶液を半導体基板に吹き付ける工程と、半導体基板に対して薬液処理を行う工程と、薬液処理後に半導体基板に対して純水を用いた水洗処理を行う工程と、半導体基板に付着した純水を除去する乾燥処理を行う工程と、開口部の内部に配線層を形成する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明は、開口部を形成した後に、半導体基板の表面電位を測定する工程をさらに有することができる。この場合、溶液を半導体基板に吹き付ける工程は、測定した表面電位と絶対値が略同じで逆の極性の電位を発生させる回転数で半導体基板を回転させた状態で行う。
【００１６】
本発明において、半導体基板に吹き付ける溶液は、二酸化炭素が溶解した純水とすることができる。
【００１７】
また、本発明において、層間絶縁膜は、比誘電率が３．０以下の低誘電率絶縁膜とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、半導体基板を回転させた状態で、開口部内における表面電荷の極性と逆の極性の物質を含む溶液を半導体基板に吹き付けてから洗浄処理を行うので、プラズマによって発生する残留電荷を除去または低減させることができる。したがって、残留電荷に起因して洗浄工程で生じる銅配線層の異常エッチングの問題をなくして、信頼性に優れた半導体装置を高い歩留まりで製造することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。尚、ＭＯＳトランジスタ、拡散層およびプラグ形成などの通常のＬＳＩ製造工程については便宜上割愛し、金属配線の形成工程について説明する。
【００２０】
図１〜図６および図８は、本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００２１】
まず、半導体基板としてのシリコン基板１上に下層の銅配線層２を形成する（図１）。
【００２２】
具体的には、シリコン基板１上に、第１の拡散防止膜３および第１の層間絶縁膜４を順に積層した後、第１の層間絶縁膜４に第１の拡散防止膜３に至る開口部を設け、この開口部内に第１のバリアメタル膜５を介して第１の銅層６を埋め込むことによって、銅配線層２を形成することができる。
【００２３】
次に、銅配線層２の形成された第１の層間絶縁膜４上に、第２の拡散防止膜７、第２の層間絶縁膜８およびキャップ膜９をこの順に積層する（図２）。
【００２４】
本実施の形態では、第１の層間絶縁膜４および第２の層間絶縁膜８として、比誘電率がＳｉＯ２膜より低い絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）を用いることが好ましく、特に、比誘電率が３．０以下の絶縁膜を用いることが好ましい。このような膜であれば、第１の層間絶縁膜４および第２の層間絶縁膜８は、如何なる方法によって形成された膜であってもよい。例えば、膜中に空孔（ポア）を有するポーラスな絶縁膜であってもよいし、空孔のない絶縁膜であってもよい。さらに、空孔を有する場合の空孔のサイズや空孔の密度などにも特に制限があるものではない。具体的には、ＳｉＯ２系、ＳｉＯＣ系、ＨＳＱ（水素化シルセスキオキサン）系、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）系、ポーラスＨＳＱ系およびポーラスＭＳＱ系などの無機絶縁膜の他に、フッ素を含む有機ポリマー系の絶縁膜なども用いることができる。尚、第１の層間絶縁膜４と第２の層間絶縁膜８とは同じ材料からなる膜であってもよいし、異なる材料からなる膜であってもよい。
【００２５】
一方、第１の拡散防止膜３、第２の拡散防止膜７およびキャップ膜９としては、例えば、ＳｉＯ２系、ＳｉＮ系、ＳｉＣ系またはＡｌＯ系などの無機絶縁膜などを用いることができる。但し、上記の層間絶縁膜と同様に、第１の拡散防止膜３、第２の拡散防止膜７およびキャップ膜９もできるだけ低い比誘電率の絶縁膜であることが好ましい。このような特性を有するものであれば、これらの膜の膜質、膜厚および形成方法などについて特に制限はない。尚、比誘電率が比較的高い材料を用いる場合には、膜の特性を損ねない程度にできるだけ薄く形成することが好ましい。
【００２６】
キャップ膜９を形成した後は、フォトリソグラフィー法を用いて、所定のパターンを有するハードマスク１０を形成する（図３）。ハードマスク１０としては、キャップ膜９とのエッチング選択比が大きい材料からなる膜を用いる。
【００２７】
次に、ハードマスク１０をマスクとして、キャップ膜９、第２の層間絶縁膜８および第２の拡散防止膜７に対して順にプラズマによるドライエッチングを行う。これにより、図４に示すように、銅配線層２に至る第２の開口部１１を形成することができる。ここで、第２の開口部１１からは第１の銅層６が露出している。そして、開口部１１の形成とともに、銅配線層２の上にはエッチングにより生成した汚染物１２が付着する（図４）。汚染物１２は、主として、プラズマ活性種と銅が反応することによって生成した物質からなっている。
【００２８】
また、ドライエッチングを行うことによって、開口部１１の内部には残留電荷１６が発生する（図４）。この状態で汚染物１２を除去するための洗浄処理を行うと、銅配線層２がこの部分で異常にエッチングされてしまう。すなわち、洗浄処理工程は、薬液処理、水洗処理および乾燥処理からなるが、薬液処理の際に用いられる薬液には、銅配線層をエッチングする成分も含まれている。通常の洗浄処理では銅配線層が局所的に異常にエッチングされることはないが、残留電荷の影響によってこの成分が局所的に活性化されると、活性化された部分における銅配線層との化学反応が促進されて、銅配線層が異常にエッチングされる。
【００２９】
本発明者は、鋭意研究した結果、残留電荷に起因する銅配線層の異常なエッチングを防止するためには、洗浄処理工程の前に残留電荷を除去または低減すればよいと考え、本発明に至った。すなわち、プラズマ処理後に発生する残留電荷はプラスの極性であるので、反対のマイナスの極性を有する電荷を発生させることによって残留電荷を打ち消すことができる。
【００３０】
具体的には、半導体基板を回転させた状態で、開口部内における表面電荷の極性と逆の極性の物質を含む溶液を半導体基板に吹き付ければよい。例えば、枚様式の洗浄装置内に基板を設置し、基板を回転させながら基板の表面にＣＯ２ガスを溶かした純水を吹き付ける。これにより、基板の表面にはマイナスの電荷が発生する。したがって、プラスの極性を持つ残留電荷を打ち消すことができるので、基板表面の残留電荷を除去または低減することが可能になる。
【００３１】
上記の溶液を適当量吹き付けた後は、基板を回転させて表面に残留した溶液を弾き飛ばす。これにより基板の表面を乾燥させて、残留電荷除去工程を終える。
【００３２】
図５は、ＣＯ２ガスを溶かした純水を吹き付ける際の基板の回転速度と、基板表面の蓄積電荷との関係を示したものである。図より、基板にＣＯ２ガスを溶かした純水を吹き付けることによって基板の表面にはマイナスの電位が発生し、基板の回転数が増加するとともに表面電位の絶対値が大きくなっていくことが分かる。このことから、本発明においては、開口部を形成するためのドライエッチングを終えた後に、基板の表面電位を測定しておき、この表面電位と絶対値が略同じで逆の極性の電位を発生させる回転数を設定する。そして、この回転数で基板を回転させた状態で、ＣＯ２ガスを溶かした純水を基板に吹き付けることが好ましい。このようにすることによって、残留電荷を実質的に除去することが可能になる。
【００３３】
尚、図５では、ＣＯ２ガスを溶かした純水を基板に吹き付ける例について示したが、他の溶液を用いた場合であっても同様である。すなわち、開口部内における表面電荷の極性と逆の極性の物質を含む溶液を基板に吹き付けた場合に発生する電位は、基板の回転数によって変化する。したがって、予め基板の表面電位を測定しておけば、この表面電位と絶対値が略同じで逆の極性の電位を発生させる回転数を設定することによって、実質的に残留電荷を除去することが可能になる。
【００３４】
また、基板の表面に発生する電位は、上述した基板の回転数だけでなく洗浄装置の構造によっても変動する。したがって、使用する洗浄装置に合わせて回転数を最適化することがより好ましい。
【００３５】
上記の残留電荷除去工程を行った後は、銅配線層２の表面に付着した汚染物１２の除去を目的とする通常の洗浄工程を行う。具体的には、薬液処理を行った後に水洗処理を行い、最後に乾燥処理を行う。
【００３６】
薬液処理に使用する薬液は、汚染物１２を剥離除去できるとともに、銅配線層２および第２の層間絶縁膜８に対して実質的なダメージを与えないものであることを必要とする。但し、薬液は、このような特性を有するものであれば、その成分および組成に特に制限はない。本実施の形態に好適な薬液としては、例えば、フッ素（Ｆ）を含むものを挙げることができる。
【００３７】
薬液処理は、回転状態にある基板に薬液を吹き付けて基板を１枚づつ洗浄する枚様方式により行うことができる。但し、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、複数枚の基板を薬液に浸漬するバッチ方式により行ってもよい。
【００３８】
薬液処理を終えた後は、純水を用いた水洗処理によって薬液を洗い流すとともに、残留している汚染物１２を完全に除去する。水洗処理は、枚葉方式およびバッチ方式のいずれにより行ってもよいが、例えば、枚葉方式で洗浄処理を行う場合には、水洗は、薬液処理後の基板に対して、これを回転させた状態で純水を吹き付けることによって行うことができる。
【００３９】
基板に付着した薬液を純水によって完全に置換した後は、この純水を除去するための乾燥処理を行う。例えば、基板に付着した液を回転により弾き飛ばすことによって行うことができる。また、不活性ガスまたはクリーンエアーを基板に吹き付けたり、付着した液をイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）液またはその蒸気で置換したりすることによっても行うことができる。
【００４０】
本実施の形態によれば、残留電荷１６を除去または低減させた後に洗浄処理を行うので、銅配線層２が局所的に異常にエッチングされるのを防ぎながら、銅配線層２の表面に付着した汚染物１２を除去して、図６に示すような状態にすることができる。
【００４１】
以上によって、洗浄処理工程を終えた後は、図６の開口部１１の内面に、窒化タンタル（ＴａＮ）膜などの第２のバリアメタル膜１３を形成する。その後、開口部１１の内部に、第２のバリアメタル膜１３を介して銅層１４を埋め込む。これにより、下層の銅配線層２の上層に銅配線層１５を形成することができる（図７）。具体的には、スパッタ法によってシード銅としての銅膜（図示せず）を形成した後に、メッキ法を用いて開口部１１を埋設するように第２の銅層１４を形成する。次に、開口部１１内にのみ第２の銅層１４を残すように、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法を用いて表面を平坦化する。これにより、銅配線層２に電気的に接続する銅配線層１５を形成することができる。
【００４２】
本発明によれば、プラズマ処理によって発生する残留電荷を除去または低減させることができる。したがって、残留電荷に起因して洗浄工程で生じる銅配線層の異常エッチングの問題をなくして、信頼性に優れた半導体装置を高い歩留まりで製造することが可能になる。
【００４３】
尚、上記の実施の形態においては、ドライエッチング工程によって発生する残留電荷について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。本発明は、プラズマ処理によって発生する全ての残留電荷に好適である。例えば、アッシング工程の後に洗浄処理工程を行う場合にも本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図３】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】基板の回転速度と基板表面に発生する電荷との関係を示す図である。
【図６】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図７】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  シリコン基板
２，１５  銅配線層
３  第１の拡散防止膜
４  第１の層間絶縁膜
５  第１のバリアメタル膜
６  第１の銅層
７  第２の拡散防止膜
８  第２の層間絶縁膜
９  キャップ膜
１０  ハードマスク
１１，２８  開口部
１２  汚染物
１３  第２のバリアメタル膜
１４  第２の銅層
１６  残留電荷
【図１】
2005353870.tif 000003
【図２】
2005353870.tif 000004
【図３】
2005353870.tif 000005
【図４】
2005353870.tif 000006
【図５】
2005353870.tif 000007
【図６】
2005353870.tif 000008
【図７】
2005353870.tif 000009